穩定同位素質譜技術在馬鈴薯產品溯源和產地溯源中的應用綜述

柳沙 張海芳 楊曉宇 張宏博 馮濤 栗昇

摘 要：穩定同位素質譜在植物源性食品安全方面的應用主要包括產品摻假鑒別、有機食品認證和地標性食品溯源3大類。本文通過對穩定同位素溯源技術原理、當前國內外馬鈴薯產業發展現狀和科研水平的闡述，分析了內蒙古自治區作為我國馬鈴薯的重要主產區，運用同位素溯源技術進行產品地理標志認證和預防馬鈴薯摻雜摻假的必要趨勢。

A review of the Application of Stable Isotope Mass Spectrometry in Potato Product Traceability and Geographical Origin Traceability

LIU Sha2， ZHANG Haifang1， YANG Xiaoyu1， ZHANG Hongbo2， FENG Tao3， LI Sheng1*

（1.Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering， Hohhot 010011， China; 2.Center for Market Regulation Evaluation & Inspection of Inner Mongolia， Hohhot 010010， China; 3.Inner Mongolia King Goal Technology Service Co.， Ltd.， Hohhot 010010， China）

Abstract： The applications of stable isotope mass spectrometry in plant food safety mainly include product identification， organic food certification and landmark food traceability. In this paper， the principle of stable isotope technology and the current development situation and scientific research level of potato industry at home and abroad are expounded， which shows that Inner Mongolia is an important potato production area in China， it is imperative to prevent adulteration of potatoes certified by geographical indications by using isotope tracing technique.

Keywords： plant derived food safety; potato; geographical indication certification; isotope traceability technology

產地溯源是有效實施食品原產地追溯、保護名優產品的重要技術手段。國內外動物源性食品產地溯源技術發展相對成熟，植物源性食品產地判別的研究也日益增加。植物源性食品的溯源對象已由茶葉、咖啡、橄欖油、蜂蜜、葡萄酒和果汁等發展至番茄、大蒜、蘑菇、小麥和土豆等食品[1]。目前，穩定同位素質譜在植物源性食品安全方面的應用主要涉及產品摻假識別、有機食品認證及地標性食品溯源3大部分。

近年來，農產品產地的溯源受到消費者和監管部門的高度關注。農產品產地溯源是重金屬溯源的前提和基礎。農產品原產地與它們的營養成分、質量和味道密切相關，相關部門先后出臺了許多相關政策與認證方法，以便辨別地域性名優特產。《農產品地理標志管理辦法》于2008年初期實施，現被農業農村部所保護的地理標志農產品已有3 000多種，地理標志農產品深受廣大消費者的青睞。隨著經濟國際化發展和電子商務等經濟形態的出現，如何防止及監管食品及農產品在跨區域、跨國境流通過程中摻假，已經成為全球性的新挑戰[2]。

1 穩定同位素溯源技術

1.1 基本原理

同位素溯源技術是目前用來追蹤不同來源食品并進行名優產品保護的一項高效工具，在食品安全領域中具有廣闊的應用前景。同位素是指質子數一樣，但中子數有所不同，在元素周期表中居于同位的一種核素，互稱之為同位素，它們之間存在類似性與相異性關系。物質的化學特性基本上是由組成物體原子的殼層電子構造所確定的，而同位素有完全相同的殼層電子構造，從而使它們的宏觀化學和生物特性相似，這便是同位素的相似性。同位素的相異性主要體現在原子核的結構差異，同位素間具有不同的質量數和核物理特征[3]。

利用同位素間物理性質的相異性，人們能夠更高效地實現同位素分離和分析，基本原理是同位素的自然分餾效應，該分餾效應是指同位素比值差異的兩個物質間或相同物質兩種相態間產生的同位素分配作用[4]。通過分析C、N、H、O和Pb等同位素指紋在不同區域植源性產品中的特異性差異，從而可以鑒別不同來源的植源性產品。植物光合作用的碳代謝途徑不同，按照CO2的利用方式植物可分為碳-3、碳-4、CAM植物。CAM植物位于碳-3與碳-4中間，碳-3植物多在高緯度、高海拔地區的溫涼地帶地區，而碳-4植物則多在熱帶和亞熱帶中生長與發育，因此植株的碳同位素組成不但與其透光性以及碳代謝路線相關，還受外界環境因子的影響。氫和氧同位素天然豐度的差異，一般和植被中可使用水分的重要來源相關，如大氣降雨、地下水或海洋水。氫和氧身為水的重要構成元素，其同位素構成會由于水循環系統流程中的快速擴展、物態轉換（如揮發、冷凍、葉片蒸騰等）而產生規律性改變，因此氫、氧同位素比例存在典型的緯度效應、陸地效應及其氣候季節效應[5]。此外，植被的氮同位素構成也受植被種類、化學肥料、天氣條件和水土情況等各種因素的直接影響，而土壤中N同位素的組成大多與農作物施肥相關，因此也會影響礦化、硝化、N的吸收及反硝化等生物轉化過程，從而直接影響氮同位素的分餾效應[6]。δ15N主要與該區域農作物生產有關，特別是農業施肥對生物體N同位素濃度的影響較大[7]。

1.2 穩定同位素溯源技術分類

依據不同外設預處理裝置，用于檢測的穩定同位素比質譜可分為元素分析儀同位素比質譜、多用途氣體在線制備裝置同位素比質譜、氣相色譜同位素比質譜及液相色譜同位素比質譜。元素分析儀同位素比質譜可用于檢測整個液體樣品、固體樣品或是從樣品中分離的某一組織中的同位素，是目前應用最廣泛的同位素分析技術;氣相色譜同位素比質譜時常用于檢測從樣品中提取的某一種氣體或混合氣體化合物的同位素，如檢測植物油中脂肪酸的δ13C、黃油中固醇激素的δ13C值、酒品的中揮發性成分的δ13C、可可油中脂肪酸的δ13C、白酒中乙醇的δ13C與δ18O及水果中揮發物的δD與δ13C[8-9];液相色譜同位素比質譜可用于檢測從樣品中提取的非揮發性化合物的同位素，例如蜂蜜中糖組分的δ13C、測定橙汁中果糖、葡萄糖、二糖和多糖的δ13C值等。目前應用于食品真實性鑒定最多的是元素分析儀同位素比質譜，其應用案例遠遠高于其他幾種同位素比質譜。

2 馬鈴薯溯源的研究情況

內蒙古中西部地區是我國馬鈴薯的主要產區之一，其出產的馬鈴薯口感綿軟深受廣大消費者的喜愛。目前內蒙古地區出產的馬鈴薯品種繁多，不同品種和地域的馬鈴薯在食用風味口感和質量品質上有一定的差別。至今，國內外對于馬鈴薯原產地的溯源研究相對匱乏及薄弱。因此，為了給馬鈴薯品種提供鑒別依據，更好地維護消費者權益，避免買到假冒或低品質的馬鈴薯產品，有必要建立可供參考的技術手段和數據體系對區域內馬鈴薯進行鑒定。

2.1 馬鈴薯的分布

在我國馬鈴薯栽培地區也比較集中，大致分為北部一作區、中原二作區、西南部混作區和南部冬作區等4個地區[10]。國內馬鈴薯栽培面積和產量處于全球前列，約占世界的1/4。馬鈴薯具備經濟效益較高、抗旱、耐瘠薄和水分利用率較高等優點，在國內的栽培面積正逐漸擴大。此外，自我國提出了馬鈴薯的主糧化策略開始，相關部門給予了馬鈴薯產業鏈高度重視，還提議通過充分利用中國南部冬閑田增加馬鈴薯的栽培面積[11]。內蒙古自治區一直是中國馬鈴薯的重要產區，產業規模和產量都長期保持在較高水平。馬鈴薯及其相關產品是內蒙古的支柱產業，對于發展當地農業經濟，實現廣大農戶增收，調節農產品結構，保證糧食安全方面均具有很大的意義[12]。

2.2 馬鈴薯的發展

如今，食品加工業迅速發展，馬鈴薯可加工成各種速凍方便食品和休閑食品，如脫水制品、油炸薯片、膨化食品等，同時其還可深加工成果葡糖漿、檸檬酸、生產可生物降解的塑料等。我國農業部門自2015年開始實施馬鈴薯主糧化策略，把馬鈴薯視為對我國重要地區主要糧食適當補充，使主糧種類更為豐富多樣、營養成分更為多樣化，這將成為提高糧食安全水平的新舉措。該戰略的宗旨是促進馬鈴薯由副食消費轉為主糧消費、由原料產品消費轉為農業產業化系列成品、由溫飽消費轉為營養保健消費[13]。中國在國際上率先提出馬鈴薯主食產品開發戰略，取得了突破性進展。至今為止，已經研發銷售6大系列260多種國內本土特色的主食產品。通過不斷延伸產業鏈、完善供應鏈、提升價值鏈，使馬鈴薯產業的增值空間不斷拓寬。

3 國內外穩定同位素技術在馬鈴薯及相關產品中的應用

食品產地追溯法是污染物溯源的前提基礎，同時也是食物產業鏈追溯的關鍵部分，近年來，中國特色農業、全國各地的名優特產、地方產品、國家地理標識產品越來越受到人們重視。同位素技術在鑒別果汁、蜂蜜、乳制品和葡萄酒的等方面應用廣泛，但在馬鈴薯及其相關產品的應用卻較少。

3.1 國外馬鈴薯及相關產品穩定同位素溯源技術研究現狀

在歐洲，標有有機食品的商品受到越來越多居民的歡迎，在流通領域鑒別有機食品的訴求較高。穩定同位素技術可以確定食物產地來源、追蹤食物污染源、鑒定食物摻假、追蹤農業獸藥等在生物體內吸收、代謝與具體分布等的變化規律，還可以高效追蹤和區分有機食物和普通食品[14]。

Longobardi[15]等使用頂空固相微萃取-氣質聯用技術和同位素比率質譜儀檢測意大利西西里島、阿普利亞區、托斯卡納區3個地區的馬鈴薯樣本中的32種揮發性成分和碳、硫、氧同位素，其研究成果中發現15種揮發性成分與各種同位素之間均存在著明顯的地區差別，結果表明單獨使用揮發性成分或同位素的準確判斷率為91.7%，而同時使用揮發性成分和同位素則達到了100%準確判斷率。

Mahne等[16]對斯洛文尼亞4個區域種植的土豆進行了研究，研究應用同位素質譜對δ13C、δ15N、δ18O和δ34S進行了測定，同時對多種元素進行測定，其包含Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Br、Rb和Sr及稀有元素Sc、Y、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Dy和Er。通過多變量判定分析后可100%區分及定義馬鈴薯品種，此研究建立了馬鈴薯最新的數據庫，并創造了可追溯性模型。

CHUNG等[17]運用同位素比率質譜儀測定了韓國地區的5種馬鈴薯C、N、O及S元素，結果表明δ13CVPDB和δ15NAIR均可以有效區分5種的馬鈴薯的地域和品種，但δ18OVSMOW和δ34SVCDT僅可以有效區分5種的馬鈴薯的地域，同位素質譜結合化學計量法進行食品產地的溯源，具有廣闊的發展前景。

在相同的土壤及氣候條件影響下，Camin等[18]發現有機馬鈴薯的δ15N值（7.17‰）明顯高于普通馬鈴薯δ15N值（3.36‰），以δ15N值4.3‰為閾值鑒別有機馬鈴薯假陽性率為15%。Sturm等[19]也利用δ15N值有效鑒別了有機韭菜和有機馬鈴薯，再次驗證了同位素比質譜儀法是鑒定有機農產品的有效方法。

3.2 我國馬鈴薯及相關產品穩定同位素溯源技術研究現狀

我國于1994年把地理標志納入商標法律體系進行保護，但同發達國家比較，此項研究水平較為落后，名優商品的以假亂真、以次充好等現狀也較為嚴峻[20]。近年來，穩定同位素質譜法在我國判別植物源產地領域起到較大的作用，同位素技術不需要復雜的前處理步驟，處理后的樣品不容易受到污染或者變性，準確性高穩定性好，在食品溯源及農產品溯源方面均發揮著重要的作用，具有廣闊的應用前景。

淀粉是植物光合作用的主產物，而各類植物來源的淀粉因光合作用的合成途徑差異具有不一樣的δ13C值。按照光合作用合成途徑的差異，植物包括碳-3植物，碳-4植物和CAM植物，其中碳-3植物的δ13C遠遠小于碳-4植物的δ13C[21]。王紹清等[22]用掃描電鏡和穩定碳同位素比質譜技術對馬鈴薯淀粉中摻假玉米淀粉進行定性和半定量鑒別。根據馬鈴薯淀粉與玉米淀粉在顆粒超微形貌上的明顯差別，運用掃描電鏡清晰辨別出馬鈴薯淀粉中摻假的卡米淀粉顆粒。當玉米淀粉的摻假量大于10%時，根據二者在穩定碳同位素比上的自然顯著差異，發現穩定碳同位素比法不僅能夠定性鑒別馬鈴薯淀粉中的卡米淀粉摻假行為，而且依照給出的公式可以估算出摻假玉米淀粉的含量。

有研究應用同位素比質譜技術對內蒙古中西部地區種植比較廣泛的4種馬鈴薯（226、福瑞特、青九及黑心一號）進行了實驗，并參照了其馬鈴薯樣本中的水分、灰分、含氮量和淀粉含量進行了分析。結果表明，226、福瑞特、青九和黑心一號4種不同品種馬鈴薯樣品的13C和δ15N含量有明顯的分離趨勢，但不能有效區分4種樣品。當與水分、灰分、氮含量、淀粉含量合并分析時，可有效區分4種馬鈴薯。這為進一步積累基礎研究數據建立起信息庫和數據體系，為更好地區分馬鈴薯產區、打造內蒙古地理標志產品提供技術支撐，同時促進內蒙古地區優質馬鈴薯產品地方標準的建立。

張欣昕等[23]通過同位素比質譜技術及確定樣本微量元素的方法分別對內蒙古、黑龍江、新疆、四川和廣東5個馬鈴薯主產區進行代表性樣品采集，測定樣品種礦質元素含量及穩定同位素比值。結果說明采用步進式方法篩出Na、Al、P、Mn、Co、Ni、Gu和Cd 8種指紋指標，8種元素的交叉驗證的正確判別率為89.3%;δ13C比值和δ15N比值基本可以高效地區分內蒙古樣品與黑龍江、新疆、廣東3個區域的樣品，如單獨選用δ13C和δ15N建立的判別模型，判別正確率為82.0%，在組合應用Na等元素及δ13C、δ15N的綜合指標下，不同產地的初始判別正確率高達94.7%，而交叉驗證正確率達93.2%，均高于礦質元素含量和同位素比值單獨判別正確率，判別結果較好。結果表明利用礦物元素和穩定同位素相結合的方法可以對馬鈴薯的產地進行有效的判別，判別正確率很高，這是產地溯源的有效方法。

4 討論

國內外關于穩定同位素應用于馬鈴薯產地溯源仍然存在一些問題。用IRIMS進行馬鈴薯產地溯源時，多數研究局限于某一國家或國內少數幾個地區、幾個品種，樣品整體數量不足，不能全面精準地區分馬鈴薯的地標性，研究的深度尚且不夠。所以，增大抽樣量、多元素是建立真實、安全、有效的同位素數據庫系統的首要條件，對今后系統性研究有著重大意義。

當馬鈴薯產地相對接近，同位素指標區分不明顯時，需要采用多種技術融合的方法，如合并頂空固相微萃取-氣質聯用、采取礦物質指紋指標等檢測技術來實現對原產地的精準溯源。除此以外，鍶、鉛等與地質條件相關的重質元素的穩定同位素也展現了在產地溯源中的重要作用。穩定同位素技術與多種指紋分析技術聯用，并結合化學計量學分析將成為植物源性產品產地溯源的最有效方法。

在鑒別馬鈴薯淀粉摻假中，穩定同位素合并掃描電鏡可定性和半定量鑒別其樣品，清晰辨別鑒定其真偽性，并結合數據模型可精準計算出摻假量，這將成為鑒別馬鈴薯相關產品真偽的重要手段，是馬鈴薯作為主食補充政策的長期有效技術支撐。

5 展望

我國相關農業同位素溯源的研究還處在探索階段，對于特定農產品追溯技術研究缺乏系統的開展。但是，隨著我國農業產品追溯體系越來越完善，穩定同位素技術已在食品原產地鑒定和食品摻假中發揮逐漸重要的作用，現已逐步成為對馬鈴薯及其他農作物產品追溯的有效工具，有著廣闊的前景，對于杜絕產品的摻假及其保護地理標志產品有著重要的意義。在建立和完善溯源數據庫應用推廣中，還需要相關人員努力推廣實踐，制定相關產品的溯源標準、建立和完善全國性的溯源數據庫。

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